Молекулярная Запутанность и Electrospinnability биополимеров
Summary
Электроформования является увлекательным метод, используемый для изготовления микро к нано-волокон из широкого спектра материалов. Молекулярная запутывание учредительных полимеров в прядильного раствора имеет важное значение для успешного электропрядения. Мы приводим протокол для использования реологические оценить electrospinnability двух биополимеров, крахмала и пуллулан.
Abstract
Электроформования является увлекательным техники для изготовления микро чтобы нано-волокон из широкого спектра материалов. Для биополимеров, молекулярной запутывание учредительных полимеров в прядильного раствора было установлено, что необходимым условием для успешного электропрядения. Реология является мощным инструментом для исследования молекулярной конформации и взаимодействия биополимеров. В этом докладе, мы демонстрируем протокол для использования реологические оценить electrospinnability двух биополимеров, крахмала и пуллулан, от их диметилсульфоксид (ДМСО) / вода дисперсии. Были получены Правильно сформированные крахмал и пуллулан волокон со средним диаметром в субмикронных к микронного. Electrospinnability оценивали путем визуального и микроскопическим наблюдением волокон, образованных. Соотнося реологические свойства дисперсий в их electrospinnability, мы показываем, что конформации молекулы, молекулярного запутанности, и сдвиговой вязкости влияют избранныхrospinning. Реология не только полезно в выборе растворителя системы и оптимизации процессов, но и в понимании механизма формирования волокна на молекулярном уровне.
Introduction
Электроформования является метод, который способен производить непрерывную микро к нано-волокон из широкого спектра материалов. Она получила повышение академической и отраслевой интерес 1. Хотя установка и практика электропрядения кажется простым, способность прогнозировать electrospinnability и управлять свойствами волокна остается проблемой. Причина может заключаться в том, что существует множество факторов, влияющих на процесс электропрядения 2 и процесс, особенно пути, по которому волокна, хаотический 1. Часто эмпирический "готовить-и-посмотреть" подход используется для скрининга потенциальных electrospinnable материалы. Тем не менее, для получения лучшего контроля над процессом электропрядения и результирующие свойства волокна, более полное понимание механизмов, которые управляют electrospinnability требуется. Некоторые исследователи обнаружили, что молекулярная запутывание полимеров в прядильного раствора является эссенциял условием для успешного электропрядения 3 до 5.
Реология является мощным инструментом для исследования молекулярной конформации и взаимодействия в полимерных дисперсий. Например, Макки и соавт. исследовали конформации молекулы линейные и разветвленные поли (этилен-со-терефталат-этиленизофталата) сополимеров в растворителе, содержащем хлороформ / диметилтерефталата (7/3, об / об), и определили, что концентрация полимера должен быть 2-2.5x концентрация запутанность для успешного электропрядения 4.
Существует в настоящее время возрождение интереса к волокон из биополимеров, потому что их преимуществ в способности к биологическому разложению, биосовместимость, и возобновляемость по отношению отношению их синтетические аналоги. Однако практикующие столкнуться со многими проблемами, связанными как правило, от их структурной сложности, трудности в термической обработке и низших механических свойств. Крахмал, содержащийся в растительных тканях, является Амонг наиболее распространенными и недорогими биополимеры на земле. Чистые крахмал волокна изготовлены с использованием электро-мокрого прядения аппарат недавно были описаны 6. Пуллулан представляет собой линейный полисахарид получают внеклеточно некоторыми бактериями. Правильное чередование (1 → 4) и (1 → 6) глюкозидные связи, как полагают, отвечает за несколько отличительных свойств пуллулан, в том числе отличной волокна / пленкообразующего возможностей 7,8. Электроформования пуллулана волокон из водной дисперсии, как сообщается посредством ряда исследователей 9,10. В наших предыдущих публикаций, electrospinnability из двух биополимеров, крахмала и 11 пуллулановыми 12, уже обсуждалось. Настоящий доклад посвящен демонстрации протокол для использования реологические принципы в исследовании electrospinnability этих двух биополимеров.
Protocol
Representative Results
Discussion
Реология является важным инструментом для изучения переработки полимеров, в том числе обычных волокон прядения и электропрядения 13. От стационарных сдвиговых реологических исследований, полимерной конформации и их взаимодействия в различных растворителях могут быть решены <str…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа частично финансируется Национальным институтом Министерства сельского хозяйства США для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства, Национальной программы конкурсных грантов, Национальной программы исследовательская инициатива 71,1 FY 2007 как грант № 2007-35503-18392 и Национальных Институтов Здоровья, Институт аллергологии и инфекционных заболеваний , R33AI94514-03.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Gelose 80 starch | Ingredion | Used as it is | |
| Pullulan | Hayashibara Co. Ltd | Used as it is | |
| Dimethyl Sulfoxide | BDH Chemicals | BDH1115-4LP | |
| Ethanol | VWR International | 89125-172 | 200 proof |
| Rheometer | TA Instruments | ARES | 50 mm cone and plate geometry |
| Syringe (10 mL) | Becton, Dickinson and Company | 309604 | Syringe with Luer-Lok® Tip |
| High voltage generator | Gamma High Voltage Research, Inc. | ES40P | |
| Syringe pump | Hamilton Company | 81620 | |
| Environmental scanning electron microscope | FEI Company | Quanta 200 | for starch fibers |
| Environmental scanning electron microscope | Phenom-World | Phenom G2 Pro | for pullulan fibers |
Referências
- Greiner, A., Wendorff, J. H. Functional self-assembled nanofibers by electrospinning. Self-aseembled nanomaterials. 1, 107-171 (2008).
- Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W. E., Lim, T. C., Ma, Z. . An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. , (2005).
- Klossner, R. R., Queen, H. A., Coughlin, A. J., Krause, W. E. Correlation of Chitosan’s Rheological Properties and Its Ability to Electrospin. Biomacromolecules. 9 (10), 2947-2953 (2008).
- McKee, M. G., Wilkes, G. L., Colby, R. H., Long, T. E. Correlations of Solution Rheology with Electrospun Fiber Formation of Linear and Branched Polyesters. Macromolecules. 37 (5), 1760-1767 (2004).
- McKee, M. G., Hunley, M. T., Layman, J. M., Long, T. E. Solution rheological behavior and electrospinning of cationic polyelectrolytes. Macromolecules. 39 (2), 575-583 (2006).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Fabrication of pure starch fibers by electrospinning. Food Hydrocolloids. 36, 20-25 (2014).
- Singh, R. S., Saini, G. K., Kennedy, J. F. Pullulan: microbial sources, production and applications. Carbohydrate Polymers. 73 (4), 515-531 (2008).
- Leathers, T. D. Biotechnological production and applications of pullulan. Applied Microbiology and Biotechnology. 62 (5), 468-473 (2003).
- Karim, M. R., Lee, H. W., et al. Preparation and characterization of electrospun pullulan/montmorillonite nanofiber mats in aqueous solution. Carbohydrate Polymers. 78 (2), 336-342 (2009).
- Stijnman, A. C., Bodnar, I., Hans Tromp, R. Electrospinning of food-grade polysaccharides. Food Hydrocolloids. 25 (5), 1393-1398 (2011).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Role of molecular entanglements in starch fiber formation by electrospinning. Biomacromolecules. 13 (8), 2247-2253 (2012).
- Kong, L., Ziegler, G. R. Rheological aspects in fabricating pullulan fibers by electro-wet-spinning. Food Hydrocolloids. 38, 220-226 (2014).
- Han, C. D. . Fiber Spinning Rheology and Processing of Polymeric Materials: Volume 2: Polymer Processing. , 257-304 (2007).
- Morris, E. R., Cutler, A. N., Ross-Murphy, S. B., Rees, D. A., Price, J. Concentration and shear rate dependence of viscosity in random coil polysaccharide solutions. Carbohydrate Polymers. 1 (1), 5-21 (1981).
- Thompson, C. J., Chase, G. G., Yarin, A. L., Reneker, D. H. Effects of parameters on nanofiber diameter determined from electrospinning model. Polymer. 48 (23), 6913-6922 (2007).
